6.5 Energía de los cambios de fase

Pregunta esencial

¿Por qué el sudor nos refresca?

Los cambios de fase absorben o liberan energía aunque la temperatura no cambie. En este tema aprenderás cuánta energía es y por qué.

Los cambios de fase necesitan energía

• La fusión y la ebullición absorben energía (endotérmicas). La energía del sistema aumenta.
• La congelación y la condensación liberan energía (exotérmicas). La energía del sistema disminuye.

Todo depende de las atracciones

• Separar las partículas significa vencer las atracciones entre ellas. Eso absorbe energía.
• Cuando las partículas se juntan, se forman atracciones. Eso libera energía.
• Son atracciones entre moléculas (fuerzas intermoleculares). Los enlaces covalentes dentro de cada molécula de agua no se rompen cuando el agua se funde o hierve.

Curva de calentamiento

Una curva de calentamiento muestra qué le pasa a la temperatura de una muestra (aquí, agua) cuando se le agrega calor a un ritmo constante.

• Tramos inclinados (A, C, E): la temperatura sube. Una fase se está calentando.
• Tramos planos (B, D): la temperatura se mantiene constante durante la fusión (0°C) y la ebullición (100°C).
• El agua líquida tiene un calor específico más alto que el hielo o el vapor de agua, así que el tramo C es el menos inclinado.
• La ebullición (D) requiere casi siete veces más energía que la fusión (B), por eso es mucho más larga.

Los tramos planos y los cambios de fase

• Durante un cambio de fase, la temperatura se mantiene constante.
• La energía que se agrega se usa para vencer las atracciones, no para acelerar las partículas.
• La energía cinética promedio no cambia. La energía potencial del sistema aumenta.

Entalpías molares

Valor para el agua	Significado
ΔHfus = 6.01 kJ/mol	entalpía de fusión: energía para fundir 1 mol (sólido → líquido)
ΔHvap = 40.7 kJ/mol	entalpía de vaporización: energía para vaporizar 1 mol (líquido → gas)

Estos valores son por mol de sustancia.

Cambios opuestos, signos opuestos

• ΔH_freeze = −ΔH_fus (−6.01 kJ/mol para el agua).
• ΔH_cond = −ΔH_vap (−40.7 kJ/mol para el agua).
• Mismo tamaño, signo opuesto. La energía que se absorbe en un sentido es igual a la energía que se libera al regresar.

q = nΔH

q = nΔH

Símbolo	Significado	Unidades
q	calor	kJ
n	moles de sustancia	mol
ΔH	entalpía molar del cambio de fase	kJ/mol

En una curva de calentamiento: los tramos inclinados usan q = mcΔT. Los tramos planos usan q = nΔH.

La razón por la que hervir cuesta más energía

• La fusión solo afloja las atracciones. Las partículas siguen cerca unas de otras.
• La ebullición las vence por completo. Las partículas terminan muy separadas.
• Por eso ΔH_vap es mucho mayor que ΔH_fus.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Fusión del hielo

¿Cuánto calor se necesita para fundir 36.0 g de hielo a 0°C? ΔH_fus = 6.01 kJ/mol.

Mostrar la solución

1. Convierte los gramos a moles: n = 36.0 g ÷ 18.02 g/mol = 1.998 mol H₂O.
2. Ecuación: q = nΔH_fus.
3. Sustituye: q = (1.998 mol)(6.01 kJ/mol) = 12.01 kJ. Los moles se cancelan, y quedan kJ.
4. Redondea: 3 cifras significativas, limitadas por 36.0 g y 6.01 kJ/mol.
5. Respuesta: q = +12.0 kJ. Es positivo porque la fusión absorbe energía. La temperatura se queda en 0°C todo el tiempo.

Ejemplo 2: Condensación de vapor de agua

¿Cuánto calor se libera cuando 25.0 g de vapor de agua se condensan a agua líquida a 100°C? ΔH_vap = 40.7 kJ/mol.

Mostrar la solución

1. Convierte los gramos a moles: n = 25.0 g ÷ 18.02 g/mol = 1.387 mol H₂O.
2. Encuentra el ΔH correcto: condensar es lo contrario de vaporizar, así que ΔH_cond = −40.7 kJ/mol.
3. Sustituye: q = (1.387 mol)(−40.7 kJ/mol) = −56.46 kJ.
4. Respuesta: q = −56.5 kJ, así que se liberan 56.5 kJ de calor.

Por eso las quemaduras con vapor de agua son peores que las quemaduras con agua hirviendo: el vapor libera esta energía extra sobre tu piel cuando se condensa, incluso antes de empezar a enfriarse.

Ejemplo 3: Explicación de la curva

Se agrega calor a una muestra de agua a un ritmo constante. ¿Por qué la temperatura se mantiene constante durante el tramo D (ebullición)? ¿A dónde va la energía?

Mostrar la solución

1. Identifica el tramo: D es el tramo plano en el punto de ebullición, donde el líquido se convierte en gas.
2. A dónde va la energía: la energía se usa para vencer las atracciones intermoleculares entre las moléculas de agua mientras se separan.
3. Relaciona con la temperatura: la energía cinética promedio de las moléculas no cambia, así que la temperatura se mantiene constante.
4. Respuesta: La energía que se agrega vence las atracciones intermoleculares en lugar de acelerar las moléculas. La energía cinética promedio (y la temperatura) se mantiene igual mientras la energía potencial del sistema aumenta.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas de 6.5 Energía de los cambios de fase (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• La fusión y la ebullición absorben energía. La congelación y la condensación liberan energía.
• La temperatura se mantiene constante durante un cambio de fase.
• Para un cambio de fase, q = nΔH.
• Si inviertes el cambio, cambias el signo de ΔH.

De vuelta a la pregunta esencial: el sudor nos refresca porque la evaporación es endotérmica. Cuando el agua se evapora de tu piel, absorbe energía de tu piel para vencer las atracciones entre las moléculas de agua, así que tu piel pierde energía y se siente más fresca. A continuación, el Tema 6.6, Introducción a la entalpía de reacción, donde la energía viene de las reacciones químicas.

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